銅電積車間槽面溫度熱成像智能檢測(cè)預(yù)警方法

杜素忠 楊均流 賀小齊 梁新星

（萬寶礦產(chǎn)有限公司蒙育瓦銅礦）

銅電積生產(chǎn)通過在不溶性陽極板、陰極板和電富液間形成電流回路，促使電富液中的銅離子通過電化學(xué)反應(yīng)還原為單質(zhì)銅并吸附在陰極板表面， 生成純度99.99%以上的A級(jí)高純陰極銅（Cu-CATH-1）［1，2］。 生產(chǎn)過程中，吊裝引起極板擺動(dòng)、陽極板變形及雜質(zhì)吸附等，易引發(fā)極板間短路，極板導(dǎo)電梁接觸不良可能導(dǎo)致斷路［3］，影響生產(chǎn)指標(biāo)和產(chǎn)量。 銅電積槽面溫度能夠反映極板電路故障情況：溫度過高判定為短路，溫度過低判定為斷路。

傳統(tǒng)溫度檢測(cè)主要依靠人工手持儀器逐板檢查，效率低且漏檢率高；接觸式熱電偶或電感安裝困難、使用不便。 近年來，針對(duì)火法冶煉電解工藝，有報(bào)道提出采用紅外熱成像儀拍照分析檢測(cè)極板短路故障的方法，但研究主要停留在溫度和電流擬合關(guān)系上［4，5］，所組成系統(tǒng)和具體方法尚不成熟。

筆者基于具有特殊功能的紅外熱成像攝像機(jī)和相應(yīng)軟件系統(tǒng)，提出一種濕法冶金銅電積槽面溫度自動(dòng)檢測(cè)方法，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)銅電積槽面溫度異常位置并發(fā)出預(yù)警，工作人員能夠?qū)崟r(shí)掌握槽面溫度、及時(shí)消除電路故障、提高陰極銅產(chǎn)量、保障生產(chǎn)穩(wěn)定，適合大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，對(duì)行業(yè)發(fā)展具有重要作用。

1 基本結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)備組成

筆者所提方法需要的設(shè)備和軟件按照?qǐng)D1結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)溫度采集、數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)利用，具體包括：具有紅外熱成像功能的視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸鏈路、局域網(wǎng)系統(tǒng)［6］、服務(wù)器和磁盤陣列、預(yù)警分析軟件及預(yù)警接收客戶端等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)框定檢測(cè)對(duì)象后， 以遠(yuǎn)距離、非接觸、連續(xù)式方法檢測(cè)槽面溫度，并與閾值對(duì)比，發(fā)現(xiàn)溫度異常位置即觸發(fā)預(yù)警信息。 攝像機(jī)向預(yù)警分析軟件傳遞信息，包括：檢測(cè)對(duì)象、檢測(cè)時(shí)間、檢測(cè)溫度以及溫度異常位置、異常類型、視頻信號(hào)等。 綜合考慮成本和覆蓋程度，大規(guī)模車間宜選擇球型攝像機(jī)， 小型車間可選擇筒型（或槍型）攝像機(jī)。

為滿足管理和使用要求，預(yù)警分析軟件可統(tǒng)一完成攝像機(jī)參數(shù)設(shè)置，實(shí)時(shí)接收和保存攝像機(jī)反饋的檢測(cè)和預(yù)警信息，根據(jù)溫度異常情況主動(dòng)將預(yù)警推送至接收客戶端。 工作人員通過軟件可查看檢測(cè)信息、預(yù)警信息和歷史記錄，進(jìn)行生產(chǎn)組織和分析。

攝像機(jī)、服務(wù)器、磁盤陣列、預(yù)警分析軟件和預(yù)警接收客戶端通過數(shù)據(jù)傳輸鏈路接入局域網(wǎng)，滿足數(shù)據(jù)交互和傳輸需要。

1.2 運(yùn)行流程

設(shè)備和軟件按照?qǐng)D2所示流程工作， 實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和預(yù)警，其目標(biāo)為：

a. 計(jì)算攝像機(jī)安裝位置和檢測(cè)參數(shù)，包括預(yù)置位、巡航路徑、檢測(cè)對(duì)象、溫度上限Th及下限Tl等。

b. 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，安裝和設(shè)置攝像機(jī)、服務(wù)器、磁盤陣列、預(yù)警接收客戶端等設(shè)備，通過數(shù)據(jù)傳輸鏈路接入局域網(wǎng)。

c. 由攝像機(jī)對(duì)銅電積車間槽面進(jìn)行溫度檢測(cè)，獲得檢測(cè)對(duì)象實(shí)時(shí)溫度T0；同時(shí)，比較Tl、Th和T0的大小，判斷是否存在T0>Th或（和）T0

d. 攝像機(jī)將槽面檢測(cè)對(duì)象實(shí)時(shí)溫度T0、溫度異常位置及視頻信號(hào)等傳輸給預(yù)警分析軟件，并告知檢測(cè)對(duì)象是否存在T0>Th或（和）T0

e. 預(yù)警分析軟件將檢測(cè)信息推送至預(yù)警接收客戶端，當(dāng)T0>Th時(shí)屬于短路預(yù)警，當(dāng)T0

f. 工作人員復(fù)查銅電積槽面預(yù)警位置， 及時(shí)處理并將結(jié)果記入預(yù)警分析軟件。

g. 當(dāng)未發(fā)現(xiàn)T0>Th或 （和）T0

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 攝像機(jī)功能

圖2 運(yùn)行流程

現(xiàn)有的紅外熱成像攝像機(jī)能夠檢測(cè)物體表面溫度，但不能直接用于大型銅電積車間，這是因?yàn)檐囬g電積槽和極板數(shù)量過大時(shí)，攝像機(jī)無法準(zhǔn)確給出溫度異常位置信息。 無法實(shí)現(xiàn)槽面檢測(cè)全覆蓋。 同時(shí)，安裝不合理、生產(chǎn)環(huán)境中槽面遮擋等也會(huì)影響檢測(cè)效果。 為此，需要對(duì)攝像機(jī)定制開發(fā)表1所列的附加功能。

表1 攝像機(jī)附加功能

開發(fā)上述功能后，攝像機(jī)紅外熱成像視頻信號(hào)將顯示為圖3所示的格式： 檢測(cè)對(duì)象為某標(biāo)定區(qū)域；檢測(cè)結(jié)果為實(shí)時(shí)溫度；檢測(cè)對(duì)象范圍框顏色根據(jù)溫度異常情況變化；預(yù)警信息可以在視頻彈出的窗口中顯示； 一次檢測(cè)可以覆蓋多個(gè)槽面、多個(gè)對(duì)象。 檢測(cè)結(jié)果的針對(duì)性和及時(shí)性將顯著提高。

圖3 視頻信號(hào)格式

2.2 攝像機(jī)參數(shù)和設(shè)置

結(jié)合銅電積車間規(guī)模、溫度檢測(cè)要求和攝像機(jī)功能特點(diǎn)， 需要合理設(shè)置攝像機(jī)參數(shù)并安裝，否則無法實(shí)現(xiàn)預(yù)定效果。 通過攝像機(jī)連續(xù)檢測(cè)，可滿足實(shí)時(shí)性要求。

2.2.1 檢測(cè)距離

攝像機(jī)安裝的基本原則是檢測(cè)對(duì)象在攝像機(jī)允許檢測(cè)的距離范圍內(nèi)（圖4）［7］，即：

其中，V表示攝像機(jī)與檢測(cè)對(duì)象的距離，h表示攝像機(jī)距槽面的高度，l表示攝像機(jī)距檢測(cè)對(duì)象的水平長(zhǎng)度，Lmin表示攝像機(jī)允許的最小檢測(cè)距離，Lmax表示攝像機(jī)允許的最大檢測(cè)距離。 球型攝像機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，檢測(cè)距離也需符合要求。

圖4 攝像機(jī)檢測(cè)距離范圍

2.2.2 檢測(cè)范圍

為大型銅電積車間選擇球型攝像機(jī)后，合理設(shè)置預(yù)置位和巡航路徑，可滿足自動(dòng)檢測(cè)的覆蓋范圍和及時(shí)性。 同時(shí)，對(duì)檢測(cè)范圍進(jìn)行定量分析，可優(yōu)化所需攝像機(jī)數(shù)量，節(jié)約建設(shè)成本。

設(shè)車間共安裝M個(gè)球型攝像機(jī)，第i個(gè)球型攝像機(jī)共設(shè)置Yi個(gè)預(yù)置位， 每個(gè)預(yù)置位設(shè)置Pij個(gè)檢測(cè)對(duì)象，車間一共標(biāo)定檢測(cè)對(duì)象數(shù)量為Q，并為每個(gè)檢測(cè)對(duì)象設(shè)置便于識(shí)別的名稱：

第i個(gè)球型攝像機(jī)共設(shè)置檢測(cè)對(duì)象數(shù)量Qi：

其中，QM表示攝像機(jī)i允許設(shè)置的最大檢測(cè)對(duì)象數(shù)量，PM表示攝像機(jī)i單個(gè)預(yù)置位允許設(shè)置的最大檢測(cè)對(duì)象數(shù)量。 如圖5所示，PM受到攝像機(jī)檢測(cè)時(shí)可視范圍的限制。

圖5 攝像機(jī)可視范圍

實(shí)際應(yīng)用中，盡管允許在單個(gè)銅電積槽內(nèi)標(biāo)定多個(gè)檢測(cè)對(duì)象，但為便于識(shí)別，一般將單個(gè)銅電積槽標(biāo)定為一個(gè)檢測(cè)對(duì)象，一個(gè)攝像機(jī)包含多個(gè)檢測(cè)對(duì)象。 檢測(cè)對(duì)象范圍外位置不檢測(cè)、不預(yù)警，同一位置同一時(shí)刻不需重復(fù)檢測(cè)，即：

其中，Wc表示單槽寬度，Lc表示單槽長(zhǎng)度，Wijk和Lijk分別表示第i個(gè)攝像機(jī)第j個(gè)預(yù)置位第k個(gè)檢測(cè)對(duì)象的寬度和長(zhǎng)度。 寬度為極板在槽面的搭接方向，長(zhǎng)度為極板順序排列方向。同時(shí)，需保證Lijk覆蓋單槽內(nèi)所有極板，避免因覆蓋不到位導(dǎo)致檢測(cè)失敗。

2.2.3 檢測(cè)及時(shí)性

如果第i個(gè)球型攝像機(jī)每個(gè)預(yù)置位停留時(shí)間為tij，且巡航路徑為順序檢測(cè)，則同一被檢測(cè)對(duì)象相鄰兩次檢測(cè)間隔時(shí)間Ti為：

停留時(shí)間tij與攝像機(jī)檢測(cè)及時(shí)性要求和生產(chǎn)組織情況有關(guān)，不影響準(zhǔn)確性。

2.2.4 檢測(cè)精度

攝像機(jī)紅外熱成像方式分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種： 主動(dòng)方式由攝像機(jī)發(fā)射和接收檢測(cè)信號(hào)，特點(diǎn)是檢測(cè)距離遠(yuǎn)、精度相對(duì)低，通常用于戶外火災(zāi)或煙霧報(bào)警；被動(dòng)方式主要依靠接收和分析被檢測(cè)對(duì)象熱輻射紅外線特定波段信號(hào)實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)，檢測(cè)精度高，但檢測(cè)距離不能過大，且不同物體熱輻射情況對(duì)檢測(cè)結(jié)果有一定影響。

本系統(tǒng)選擇被動(dòng)紅外熱成像方式攝像機(jī)為檢測(cè)設(shè)備。 由于銅電積車間為防止空氣中的酸霧彌漫和擴(kuò)散， 通常需要為電積槽面覆蓋遮擋物，這就要求攝像機(jī)根據(jù)被直接檢測(cè)對(duì)象類型選定合適的檢測(cè)波長(zhǎng)，以提高溫度檢測(cè)精度。 表2給出了銅電積車間常見材料表面熱輻射紅外線參考發(fā)射率。

2.3 預(yù)警分析軟件

常規(guī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)［8］具備視頻信號(hào)接收、預(yù)警等功能，但對(duì)銅電積車間溫度檢測(cè)預(yù)警針對(duì)性不強(qiáng)，不能直觀反映并記錄檢測(cè)結(jié)果。 綜合考慮易用性和有效性，在常規(guī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能基礎(chǔ)上擴(kuò)展了表3所列附加功能， 形成專有溫度智能檢測(cè)預(yù)警分析軟件。

表2 不同材料表面熱輻射紅外線參考發(fā)射率

表3 軟件附加功能

預(yù)警分析軟件支持瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server， BS） 和客戶端/服務(wù)器（Client/Server，C/S）兩種模式，其中部署于服務(wù)器的服務(wù)端軟件和攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)，收集檢測(cè)信息并存儲(chǔ)、分析、利用；客戶端軟件安裝在計(jì)算機(jī)、智能終端等預(yù)警接收設(shè)備中，滿足工作人員使用要求。

3 應(yīng)用分析

某濕法冶金銅電積車間單系列槽面分為2組，每組2單元，每單元35槽，每槽64塊陽極板、63塊陰極板， 產(chǎn)能約為每年35 000t。 每單元長(zhǎng)約40m，每槽長(zhǎng)約6.5m、寬約1.2m，4人并行完成一次槽面電路故障檢測(cè)需3h左右，槽面溫度檢測(cè)和管理難度大。

根據(jù)筆者所提方法選擇球型攝像機(jī) （表4），定制攝像機(jī)和預(yù)警分析軟件功能，組成系統(tǒng)后投入應(yīng)用。 每單元采用3臺(tái)攝像機(jī)檢測(cè)；除邊部攝像機(jī)檢測(cè)對(duì)象略少外， 其他每個(gè)攝像機(jī)設(shè)置4個(gè)預(yù)置位、每個(gè)預(yù)置位3個(gè)檢測(cè)對(duì)象，每個(gè)檢測(cè)對(duì)象為1個(gè)電積槽；每個(gè)預(yù)置位停留2min，同一被檢測(cè)對(duì)象相鄰兩次檢測(cè)間隔時(shí)間為6min。

表4 攝像機(jī)參數(shù)

采用該檢測(cè)方法后：

a. 完成一次槽面電路故障檢測(cè)時(shí)間縮減至6min，準(zhǔn)確率接近100%，溫差在±2℃以內(nèi)；槽面工作人員職責(zé)由重復(fù)檢測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)警監(jiān)控、復(fù)核處理和生產(chǎn)分析，在提高檢測(cè)及時(shí)性的同時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度有所下降。

b. 生產(chǎn)完全正常和故障處理及時(shí)條件下，以周為單位對(duì)比采用該方法前、后車間的電流效率［9］，具體數(shù)據(jù)見表5，可見電流效率提升超過1.0%。 按照平均分布概率，電流效率理論提升（或節(jié)約）值約為1.5%，基本符合實(shí)際。

c. 統(tǒng)計(jì)表明，人工檢測(cè)平均每天每槽至少約1例長(zhǎng)期短路故障得不到處理。 按照每周1個(gè)出銅周期計(jì)算，同等電流效率下，該電積車間每周可提升7t以上陰極銅產(chǎn)量。實(shí)際情況表明，車間采用該系統(tǒng)后，每月增產(chǎn)陰極銅約40t。

4 結(jié)論

4.1 通過檢測(cè)銅電積車間槽面溫度異常情況，可表征極板電路故障。

4.2 由紅外熱成像視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸鏈路、局域網(wǎng)系統(tǒng)、服務(wù)器、磁盤陣列、預(yù)警分析軟件及預(yù)警接收客戶端等組成系統(tǒng)，可滿足銅電積車間槽面溫度檢測(cè)要求。 其中，具有特殊功能的紅外熱成像視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)和預(yù)警分析軟件是該方法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

4.3 筆者所提方法可提高銅電積車間槽面溫度檢測(cè)的效率和及時(shí)性， 降低槽面管理復(fù)雜度，提升電流效率和陰極銅產(chǎn)量。